路面级配碎石基层设计方法探讨

路面级配碎石基层设计方法探讨第4期北方交通?17?路面级配碎石基层设计方法探讨马飞,赵双英2,曹晓旭(辽宁路德森建设发展有限公司,沈阳110000;2.沈阳市于洪区公路管理处,沈阳110141;3.辽宁省高速公路管理局,沈阳110000)摘要:级配碎石广泛应用于低等级路面基层和高等级路面的防反射裂缝结构层,级配碎石层的设计对使用性能有重要的影响.从级配碎石的材料选择,级配选择,级配设计进行了探讨,并对其应力应变特性和永久变形进行了定性分析.关键词:级配碎石;级配;力学性能中图分类号:U416.214文献标识码:B文章编号:16736052(2010)040017-04级配碎石是粗,中,小碎石集料和石屑各占一定比例,组成符合规定的密实级配的混合料.级配碎石材料均匀,性能良好,具有很好的隔温作用,排水作用,并能有效地防止反向裂缝的发生.级配碎石可作沥青路面和水泥路面的基层和底基层,路基改善层,也可作为较薄沥青层与半刚性基层之间的中问层.级配碎石作为基层时主要承受由上部沥青层传来的车辆荷载的垂向力,并扩散到下面的底基层中,起到扩散路面荷载,减小路面变形,防止和减缓路面病害的出现等作用,可以有效地延长路面的使用寿命.为此,该结构层应均匀,具有高密度,高强度,良好的透水性及良好的抗永久变形性能.1原材料选择1.1材料强度轧制碎石的材料可以是除软岩石外的各种类型的岩石,圆石或矿渣.级配碎石基层的强度主要来源于碎石颗粒本身的强度及碎石间的嵌挤力,因此要求集料具有一定的强度.我国的公路路面基层施工技术规范几0342000按公路的等级及级配碎石使用的层位规定了石料的压碎值,作为材料强度的评价指标,如高速公路和一级公路基层的级配碎石集料压碎值应不大于26%.1.2集料液限,塑限指数当小于0.5mm粒料的含量较大时,其塑性指数对级配碎石性质有较大的影响,无塑性集料的CBR值及抗永久变形能力远好于有塑性集料.集料的液限,塑性指数越大,其水稳定性也越差.塑性细料遇水易膨胀,降低了混合料的透水性和水稳性,并增加参考文献Geoteclmique,1975,25(4):671689?1赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数J.岩土工程,2002,24(3):343-346.2Zienkiewiez0C,HumphesonC,LewisRW.Associatedandnonassociatedviscoplasticityandplasticityinsoilmechanics.3郑颖人,赵尚毅.边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论J.岩石力学与工程,2006,25(9):19371940.4高德彬.公路黄土路堑高边坡稳定性研究D.西安:长安大学公路学院,2008.AnAnalysistoEffectsofStepstoStabilityofCuttingSlopeAbstractThebasictheoryofstrengthreductionanalysismethodtostabilityofcuttingslopeisintroduced.Thestabilityofcuttingslopeiscalculatedwithstrengthreductionmethod.Theeffectsofstepstocuttingslopeareanalyzedandtheeffectsofwidthandpositionofstepstocuttingslopeayeanalyzed.Thestepwidthandpositionwhichbringhigheststabilitytocuttingslopeayedetermined.Thispaperhasprovidedreferencestodesignofcuttingslopewithsteps.KeywordsStep;Strengthreductionmethod;Cuttingslope;Stabilityofcuttingslope?l8?北方交通2010了冰冻敏感性.随着塑性指数的增大,集料的CBR值迅速下降.有试验表明,当细粒料含量少时,其塑性指数对强度的影响很小;而当细粒料的含量增加时,其塑性指数的影响会越来越大.为此,应严格限制级配碎石中小于0.5mm颗粒含量及其塑性指数.我国规范规定液限<28%,塑性指数<6%(潮湿多雨地区)或9%(其他地区).当材料的塑性较高的时候,应限制细料的含量.2级配选择级配碎石没有黏结材料,其强度和模量低于一般稳定粒料基层,选择合理的级配是提高级配碎石强度和稳定性的关键.一般来说,密实的级配易于获得高密度,从而使级配碎石获得高的CBR值,回弹模量及抗永久变形能力.级配碎石基层除了应具有较高的密实度,强度和稳定性以外,还应具有良好的透水性,以及时排出渗入基层的水分,避免过多水分导致结构强度的下降.因此,好的级配碎石应是能获得最密实集料,并使之有较好透水性的级配.通常认为影响级配的因素主要有最大粒径及集料中通过4.75mm,0.5mm和0.074mm筛的含量等.对于集料最大粒径,一般认为,集料的粒径增大,有利于提高路面的抗变形能力.最大粒径不同的密实级配碎石的比较试验结果表明,在同一侧向压力下,级配碎石所能承受的正应力随最大粒径的增大而增大.从获得最大CBR值来看,级配碎石最大粒径以37.5mm为最佳;而最大粒径为50mm的级配碎石可以获得最大干密度,37.5mm次之,31.5mm最小.良好施工,较大粒径的级配碎石作为基层,可以显着提高路面的强度,路面弯沉较小且在服务期间变化不大,从而显着提高沥青路面结构的抗疲性能,并降低了车辙深度.但随着集料粒径的增大,其在运输与摊铺过程中也越可能发生离析问题,使施工的级配碎石偏离了设计的级配,降低级配碎石的性能.采用较大的粒径时,也不容易机械整平;而且,大的集料粒径很容易造成拌和与摊铺设备的磨损.因此,我国公路路面基层施工技术规范规定:当级配碎石用作二级和二级以下公路的基层时,其最大粒径应控制在37.5mm以内;当级配碎石用作高速公路和一级公路的基层以及半刚性路面的中间层时,其最大粒径应控制在31.5mm以下.对于4.75mm筛孔通过率,有研究表明,其对级配碎石的密实度和强度影响较大.当4.75mm筛孔通过率在38%左右时,级配碎石可获得最佳的干密度和CBR值,并建议其范围可控制在25%5O%.0.5mm和0.075mm筛孔通过量对级配碎石的密实度,强度产生很大的影响,尤其是其液限和塑性指数与级配碎石的水稳定性直接相关.0.075mm下集料的洁净程度还直接影响了级配碎石的使用质量.3级配碎石设计目前我国基层施工技术规范对于级配碎石的设计方法采用的是重型击实设计方法,没有规定CBR,要求级配砾石4d饱水CBR不小于160.级配碎石进行配合比设计时只要进行各档集料筛分,按照基层施工规范的级配范围确定材料配比和目标级配曲线,然后通过重型击实确定最佳含水量和最大干密度就可以了.3.1不同成型方法下最大干密度和最佳含水量的确定级配碎石成型方法主要是击实方法和振动成型方法两种.随着振动成型技术的发展,级配碎石也应逐渐采用振动成型的的方法,我国现行规范对水泥稳定类混合料提出采用振动成型方法,级配碎石仍采用击实成型设计标准.为研究两种成型方法的差异,用以下两种粒径六个级配材料进行土工试验,见表l.表1试验级配通过下列筛孔(方孔筛.nn)的质量百分率(%)级配类型31.5细l00B3I.5中阃100(31.5粗10oI)26.5细E26.5中间F26.5粗分别用击实法(1013193)和振动法确定表1中各级配的最佳含水量.重型击实采用直径15.2cmX高12cm试筒分三层击实,每层击实98次.振动成型法仍采用重型击实法相同试筒,将其固定于振动台上,振动台频率为60Hz,振幅2mm,以模拟路上实际压实情况.压块施加压力为13.8kPa,分三层振实,每次振动时间为5min.原材料选用轧制石灰岩,其性能指标如下:压碎值19.5%;液限26;塑性指数5;针片状颗粒含量<12.2%.对于最大粒径为31.5mm的三个级配材料的含水量与干密度在不同成型方式下的关系,可通过表n5689驺殂住H躬弛趁盯眈加丌儿毋托科粥第4期马飞等:路面级配碎石基层设计方法探讨?l9?2表示.表2两种成型方式干密度对比不同成型方式下的最佳干密度和含水量见表3,对于同一级配,两种成型方法下的最佳含水量基本相近,但振动成型的最佳含水量略高于击实成型0.2%0.3%.通过两种成型方式的密度曲线可知,在粗颗粒含量比较大时击实成型比较平缓,而振动成型的密度变化比较大,对比可以看出,含水量的变化对于振动成型的影响比较大,含水量偏离最佳含水量,可能导致干密度大大减小.而当较细的集料含量增加时则产生相反的趋势.所以,对于振动时尤其要控制好试件含水量.表3不同成型方式下的最佳干密度和含水量击实成型在我国是一个常规试验,但是与振动成型方法比较而言,不能更好地反映材料现场的施工压实成型状况,在振动成型方式下,材料的颗粒能够更好地嵌挤具有更大的密度,并且在级配粗料含量较多的情况下,击实成型方式使粗集料有被击碎的可能.因此,在条件允许的情况下可采用振动成型,有可能的情况下尝试搓揉或者旋转压实成型试件进行研究.3.2不同成型方法下的力学性能在最佳含水量下配置表1所示的六种级配的混合料,每一种混合料在每一种成型方法下成型三个试件.分别作重型击实和振动压实实验,测试其在最佳含水量时的干密度,空隙率和CBR值,见表4.表4不同成型方式下CBR实测值从表4可以看出,相同的材料和级配,使用振动成型能够得到较大的CBR值.这可以说明振动方式成型的级配碎石在力学性能上具有明显的优越性,在现场施工中加强振动碾压对于提高级配碎石的路面结构性能具有重要意义.最大粒径为31.5mm的CBR均值要大于最大粒径为26.5mm的级配.集料的最大粒径越大,其CBR值越大,即强度,刚度也就越大.而且,较粗级配和中间级配较易获得大的CBR值,而细集料含量多的级配CBR值较低.3.3级配碎石料配合比设计为保证级配碎石基层形成骨架密实结构,配合比设计时可在级配范围内选取粗,中,细三种级配,分别进行试验,选取CBR值大的级配为设计级配.配合比设计程序如下:(1)按实际使用的集料,分别进行筛分,按颗粒组成进行计算,确定各种集料的组成比例.(2)按步骤(1)确定的三个级配,选取5个含水量进行重型击实试验,确定级配碎石的最佳含水量及最大干密度.(3)确定完级配碎石的最佳含水量及最大干密度后采用最佳含水量下成型试件,进行级配碎石浸水4d的CBR强度试验(试验方法参照公路土工试?2O?北方交通201O验规程删05193).室内CBR值要求应大于100%,在满足此要求的前提下,选取CBR最大的级配为设计级配.4级配碎石的性能4.1级配碎石的应力应变特性级配碎石是非线性的弹一塑性材料,在荷载作用下,其应力一应变曲线呈现非线性,卸载阶段的应力一应变曲线与加载段不重合,总应变由可恢复应变和永久应变组成.在荷载力比较小时,在加载的反复作用下,回弹应变和永久变形随作用次数的增加逐渐趋于稳定,材料表现出越来越多的弹性性质.影响级配碎石回弹模量的因素有:竖向和侧向的应力大小,材料的含水量和密实度以及材料的级配.其中,影响最大的是应力情况,这是因为级配碎石具有非线性,其回弹模量是应力的函数,应力水平越大,级配碎石的回弹模量越小.在试验室内测定级配碎石回弹模量的方法主要是重复荷载试验.在同一侧向作用下,回弹模量随偏应力增大而逐渐减小;不论轴向应力多大,当侧向应力增大时,回弹模量值也增大.含水量对级配碎石的回弹模量的影响较为复杂.因为其影响不仅取决于含水量本身,还取决于材料的类型与组成等.通常,回弹模量随含水量的增加而降低.级配对回弹模量有一定影响.在相同的压实功作用下,不同级配的材料可达到不同的密实度,密实度相对大的材料,其回单模量一般也较高.4.2级配碎石的永久变形级配碎石是非线性的弹塑性材料.在荷载作用下,其总应变由可恢复应变的永久应变组成.在荷载力比较小时,永久变形随作用次数的增加逐渐趋于稳定.但当应力较大时,永久应变会在荷载的反复作用下逐步积累,达到一定荷载作用次数后,材料的应变迅速发展,导致破坏.影响级配碎石永久应变的最主要因素是重复应力的水平,在应力水平低时,随时间的永久变形积累逐渐趋于稳定,荷载作用下仅在材料中产生弹性应变.应力水平临界高时,级配碎石的永久变形累积速度在初期逐渐下降,并趋于稳定,但在荷载作用下一定次数后,永久应变又会增长,并迅速进入破坏状态.应力水平很高时,级配碎石的应变累计不断增长,没有稳定阶段,直接进入破坏状态.在路面设计中,应尽量使级配碎石层所受的应力水平为其处于变形稳定的阶段,以避免在路面上发生过大的永久变形破坏.含水量对级配碎石的永久变形有较大影响,特别是细料含量高时,在低于最佳含水量时,增加含水量会增加粒料的强度.但在含水量接近饱和时,行车荷载的快速作用会在粒料中产生较大的空隙水压力,从而减小其抗永久变形能力.压实度对级配碎石永久变形存在重要影响,增加压实度可以大大改善级配碎石在重复荷载下的抗永久变形能力.级配碎石的组成对其抗永久变形能力有一定的影响.级配良好的密实粒料具有较好的抗永久变形能力,而细料含量的增加会降低粒料的抗永久变形能力.5结语从结构强度形成看,级配碎石基层强度主要来源于碎石颗粒本身的强度以及碎石颗粒之间的嵌挤力.因此,对级配碎石基层的研究和应用主要在于通过取得高质量的碎石,获得高密度的良好级配以及良好的施工压实手段来提高级配碎石的强度和稳定性,以降低行车作用下的永久变形.DiscussionontheDesignofGradedCrushedStoneBaseAbstractGradedcrushedstoneiswidelyusedonlowgraderoadbaseandantireflectioncracksubstrate.Thedesignofgradedcrushedstonebasehassignificantinfluencestoitsfunctionalperformance.Theselectionofgradedbrokenstone,graduationselectionanddesignarediscussedinthispaper,andtheresponsecharacteristicstostressandpermanentdeformationofgradedcrushedstonebaseareanalyzed.KeywordsGradedcrushedstone;Gradation;Mechanicalproperty